新一代太阳能电池材料的探索时间缩短至1/10以下

2016-08-100阅读0

  日本大阪大学与京都大学2016年8月4日宣布开发出了一种新方法,可结合使用数据科学性统计法,针对作为新一代太阳能电池而备受期待的钙钛矿太阳能电池,快速评估空穴输送材料(将生成的空穴运送至电极)的性能。与以往的元件评估相比,能以不到其1/10的时间进行快速而稳定的评估。

  

钙钛矿太阳能电池的构造

  (图片摘自JST的发布资料)

  钙钛矿太阳能电池由吸收光之后变成电荷(空穴和电子)的钙钛矿层、将空穴和电子分别分到阳极和阴极的空穴输送层等构成。目前,这种电池的转换效率已经达到了可与无机太阳能电池匹敌的22%,而且随着这种电池对印刷工艺和低温工艺的不断适应,价格也越来越低,重量越来越轻,因此成有望投入实用的新一代太阳能电池。但要提高太阳能电池的光电转换效率,高性能电荷输送层的开发十分重要,而元件的性能牵涉到很多因素,因此,由有机高分子(聚合物)或低分子材料构成的空穴输送层的开发和性能评估要花费很长时间,而且必须进行反复实验。

  

材料评估方法

  (a)基于微波法的测量示意图。在照射激光脉冲的瞬间,微波的强度会随着时间的推移与电流流动的容易度成正比变化。(b)只有钙钛矿膜时的微波信号(黒色)和涂布空穴输送层时的微波信号(蓝色和红色)评估。箭头的大小相当于空穴移动效率,红色(高分子A)高于蓝色(高分子B)(图片摘自JST的发布资料)

  此次开发的方法可利用将智能手机通信及微波炉等使用的微波和生产精密部件时使用的短脉冲激光组合到一起的测量装置,直接评估从钙钛矿发电层到空穴输送层的空穴移动效率。而且,还通过融合数据科学性统计法,提取了“决定性能的变量”。研究人员发现,初期空穴移动效率和移动速度的乘积与太阳能电池元件的短路电流密度的关系最为密切,今后开发和评估新空穴输送材料将变得更加容易。

  

数据科学性统计的结果获得的关系图

  各点对应一种材料(摘自JST的发布资料)

  此外研究人员还发现,不仅是高分子的种类,有无添加剂以及暴露到空气中的时间长短也会对空穴移动效率产生影响。钙钛矿太阳能电池不仅会因为与空气中的水分发生反应而劣化,而且,光照及氧气的影响有时也会使性能随着时间的推移而提高,这是这种太阳能电池特性中的一个未解之谜。此次,空穴移动效率随着暴露于空气中的时间推移而逐渐上升的特性首次实现了定量化,有望为解开其他未解之谜提供线索。

  目前转换效率最高的钙钛矿太阳能电池含有对人体和环境有害的铅,因此,非铅钙钛矿太阳能电池的开发备受关注。但目前非铅类电池的转换效率很低,耐久性及稳定性也存在很多问题。除了此次研究确立的指标之外,还可以运用材料信息学(Materials Informatics),有效地探索电荷输送层的新材料。

  另外,钙钛矿太阳能电池还存在长期劣化机构、滞后(Hysteresis)等诸多未解之谜。以此次的研究为立足点,给出实验性的解答,并进一步对新一代太阳能电池等利用太阳能的多样性能源转换材料进行性能诊断,可以加快提高元件性能和查明基础物性的研究。

  此次的研究是作为日本科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进业务的一环实施的。研究成果已于2016年8月2日发表在美国化学学会的期刊《ACS Photonics》的网络版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)